基于RS485的真空滲透及加繭自動化系統(tǒng)

馮 德 海

(柳州市自動化科學研究所，廣西 柳州 545001)

研究與技術

基于RS485的真空滲透及加繭自動化系統(tǒng)

馮 德 海

(柳州市自動化科學研究所，廣西 柳州 545001)

生絲加工真空滲透及加繭自動化生產中，需對系統(tǒng)運行中真空度、液位、送繭斗數(shù)等主要參數(shù)實現(xiàn)實時監(jiān)測與調控。文章針對這種生產工藝，研究與設計了一種基于RS485的真空滲透及加繭自動化系統(tǒng)。采用PLC直接讀取各個測點監(jiān)控值，真空滲透系統(tǒng)PLC和自動加繭系統(tǒng)PLC通過RS485總線進行連接，然后連接至PC工控主機，進行數(shù)據(jù)顯示、保存和后期分析。操作人員通過監(jiān)控系統(tǒng)也可以很快發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)異常，并定位故障源，且第一時間對故障進行排除，盡快恢復生產。應用結果表明：基于RS485總線通信系統(tǒng)較傳統(tǒng)系統(tǒng)控制具有操作簡單方便、智能化程度高、勞動強度低等優(yōu)點，極大地提高生產效率。

生絲加工；自動化；通信系統(tǒng)；真空滲透；自動加繭；RS485

隨著市場對高質量生絲需求的不斷擴大，目前落后的生產設備及工藝已經(jīng)滿足不了市場需要，必須通過產業(yè)的轉型升級和結構調整才能適應市場形勢。目前中國生絲加工基礎設施薄弱，現(xiàn)有生絲加工真空滲透及加繭生產的技術水平有待于進一步提高，如蠶繭的真空滲透設備簡陋，機械化、自動化程度低，繅絲企業(yè)中大多數(shù)加工機械仍延用20世紀70、80年代的設備，還在采用人工扛繭倒繭，人工手動控制抽真空加水滲透工作，勞動強度大，人為干擾因素多，工藝不穩(wěn)定，嚴重影響產品質量。傳統(tǒng)的生產設備已經(jīng)無法滿足產業(yè)的需求[1-2]。本研究提出了一種基于RS485總線的集散式自動控制結構，給出了其整體結構、硬件設計、系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡方案及系統(tǒng)軟件的開發(fā)和實現(xiàn)。該系統(tǒng)可方便地應用于生絲生產煮繭加工過程中真空滲透和喂料加繭工序的自動控制[3-5]，實現(xiàn)生產工藝[5-8]的實時數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控與信息化管理。

1 系統(tǒng)硬件結構及工作原理

1.1 網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)結構

網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)由上位機、人機界面、PLC、現(xiàn)場傳感器元件和現(xiàn)場執(zhí)行元件組成。監(jiān)控系統(tǒng)計算機與受監(jiān)視對象的傳感器和可編程序控制器PLC通過RS485總線組網(wǎng)。由主控計算機(主設備)送出的查詢命令通過串行通訊端口發(fā)送出去,此信號在RS485網(wǎng)絡上傳播開來。傳感器和可編程序控制器PLC(從設備)收到屬于自身的查詢命令后，會進行分析查詢命令的操作，最后將結果送到RS485網(wǎng)絡上，此信號最后由計算機的串行通訊端口接收處理。

圖1 網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)結構Fig.1 Structure of network monitoring system

1.2 送繭機和喂料機系統(tǒng)結構

真空滲透是送繭機控制的一個重要的工藝過程，即把繭子放在密閉的容器中，用真空泵抽取繭層和繭腔內的空氣，再進水，利用大氣壓將水壓入處于負壓狀態(tài)下的繭內，從而達到滲潤繭層的目的。目前，已開發(fā)出一套采用干抽法進行的自動滲透系統(tǒng)，即在抽氣至目的真空度過程、進水滲透過程、滲透后放氣過程和排水過程，采用自動化集中控制。真空滲透系統(tǒng)結構如圖2所示。

1-真空滲透罐；2-真空泵；3-水泵；4-滲透用水池；5-循環(huán)水池圖2 真空滲透系統(tǒng)結構Fig.2 Structure of vacuum osmosis system

自動運行工藝過程：關底蓋、開頂蓋→啟動輸送帶電機→送繭完成→停止輸送帶電機→關頂蓋→關進氣閥→啟動真空泵，真空度達到設定值→開進水閥至設定水位→關進水閥→保壓→停止真空泵→開進氣閥→真空表復“0”→開進水閥至額定水位→開底蓋。

整個自動運行過程由送繭機PLC進行集中控制，自動采集現(xiàn)場傳感器信號，控制電磁閥和電機等執(zhí)行機構。

喂料機系統(tǒng)主要通過在蠶繭儲存桶中設置一個循環(huán)運動裝置(圖3)，該運動裝置包含機架、鏈條、送繭斗、鉸鏈、鏈傳動系統(tǒng)、主傳動軸、送繭斗、出繭口、推桿設備和繭籠容器。喂料機系統(tǒng)設置送繭斗，使得送繭斗在循環(huán)運動裝置中循環(huán)運轉。儲存桶中的蠶繭進入送繭斗中，鏈傳動系統(tǒng)帶動送繭斗中的蠶繭向上做提升運動，當達到固定點時，推桿機架上的推桿設備向前運動，送繭斗上端蠶繭推出，多余蠶繭落回蠶繭儲存桶中，送繭斗容器中蠶繭數(shù)量在誤差范圍內達到恒定。當送繭斗達到最高點時，送繭斗翻轉，使得蠶繭進入到繭籠容器中。

1-蠶繭儲備桶；2-機架；3-鏈條；4-送繭斗；5-鉸鏈；6-鏈傳動系統(tǒng)；7-主傳動軸；8-送繭斗；9-出繭口；10-送繭斗上端蠶繭；11-送繭斗容器中蠶繭；12-推桿設備；13-推桿機架；14-繭籠容器圖3 喂料機系統(tǒng)結構Fig.3 Structure of feeding machine system

整個自動運行過程由喂料機PLC進行集中控制，自動采集現(xiàn)場傳感器信號，控制電磁閥和電機等執(zhí)行機構。

2 系統(tǒng)控制流程

按照生產工藝要求，PLC和后臺計算機軟件程序按照系統(tǒng)控制流程圖編程，以保證全過程的自動生產。真空滲透系統(tǒng)控制流程如圖4所示。

圖4 真空滲透系統(tǒng)控制流程Fig.4 Control flow of vacuum osmosis system

采用PLC及人機交互界面控制方式，當啟動自動送繭系統(tǒng)后，控制頂蓋開蓋氣缸的電磁閥自動通電，氣缸把頂蓋自動打開，頂蓋開到位后送繭皮帶電機自動啟動，靠皮帶傳輸干繭到真空罐。當干繭輸送完畢后送繭皮帶電機自動停止，控制頂蓋開蓋氣缸的電磁閥自動斷電，氣缸把頂蓋自動關閉。然后進行自動抽真空和自動進水浸泡作業(yè)，經(jīng)PLC內部編程換算成實際的真空度和水位值，實際的真空度和水位值與設定的真空度和水位值進行實時比較。用實際的真空度和水位值與設定的生產需要的真空度和水位值進行模糊運算控制，用運算后的差值輸出信號控制真空泵和進水閥，確保罐內的真空度和水位值在生產需要的誤差之內，高精度地滿足工藝要求，保證蠶繭能繅出高品質絲。

真空滲透完成后，當傳感器檢測到繭籠容器自動開籠蓋完成后，喂料機將滲透后的繭子均勻地投料到煮繭線進行加熱煮繭。喂料機控制過程中，設計一套控制程序，保證在送繭過程中控制喂料機料倉循環(huán)水泵輔助沖水和振蕩器輔助震蕩，與傳輸皮帶電機實現(xiàn)聯(lián)動，保證繭子準確均勻地投入到繭籠容器。喂料機系統(tǒng)控制流程如圖5所示。

3 用戶界面

3.1 系統(tǒng)控制界面

系統(tǒng)控制界面是整個軟件管理系統(tǒng)的核心，控制自動生產的整個過程(圖6)。在自動生產過程中，如果需要單獨控制時，把模式選擇為手動模式，可以單獨控制各個執(zhí)行機構的運行。

3.2 系統(tǒng)參數(shù)設置界面

參數(shù)設置主要用于制定和修改真空滲透和自動喂料工作時的工藝參數(shù)指標，在作業(yè)之前先設定好生產參數(shù)，在生產過程中實時監(jiān)控記錄工藝參數(shù)，在生產完成后可以進行查看送料情況(圖7)。

3.3 系統(tǒng)I/O狀態(tài)監(jiān)控界面

系統(tǒng)I/O狀態(tài)監(jiān)控主要收集監(jiān)控生產中的系統(tǒng)輸入和輸出信息，與預先設定的生產標準流程實時地對各個執(zhí)行機構進行比較監(jiān)控(圖8)。這個功能主要用于保證控制系統(tǒng)的正常工作。

圖6 喂料機系統(tǒng)控制界面Fig.6 Control interface of feeding machine system

圖7 喂料機系統(tǒng)參數(shù)設置界面Fig.7 Parameter setting interface of feeder system

圖8 喂料機系統(tǒng)I/O狀態(tài)監(jiān)控界面Fig.8 I/O state monitoring interface of feeding machine system

4 使用效果分析

該系統(tǒng)代替了傳統(tǒng)的人工手動開啟、停止方式，由PLC控制器執(zhí)行工藝過程，消除了因為人為因素造成工藝混亂的可能性，極大地提高了生產效率。表1為給出抽真空滲透改造前傳統(tǒng)方法和改造后采用自動控制系統(tǒng)的對比情況。

從表1可以看出，改造前的傳統(tǒng)設備采用傳統(tǒng)機械表顯示真空度，用傳統(tǒng)電動方法控制真空泵，真空控制精度誤差較大。改造后的設備采用高精度數(shù)顯方式顯示真空度，用PLC自動控制真空泵和浸泡水位，控制精度誤差較小。使用改造后的自動控制系統(tǒng)，滲透質量得到了極大的改善，繅絲等級得到了極大的提高。

表1 抽真空滲透工藝改造前后對比Tab.1 Comparison between transformed and untransformed vacuum osmosis processes

注：繅折工藝設計285 kg。

5 結 語

控制系統(tǒng)采用通訊網(wǎng)絡構建完整的控制和監(jiān)控網(wǎng)絡，使PLC、觸摸屏、變頻器、傳感器、電機和電磁閥組成完整的控制系統(tǒng)，達到自動控制的效果，簡化了系統(tǒng)的布線工作，提高了系統(tǒng)的可靠性，實現(xiàn)了集中監(jiān)控。系統(tǒng)投入運行后，在提高生產效率、減少勞動力成本等方面取得顯著成效。

[1]劉文烽,馮德海,黃永杰.制絲工藝中真空滲透的測控與信息化系統(tǒng)[J].絲綢,2015,52(7):14-18. LIU Wenfeng, FENG Dehai, HUANG Yongjie. Vacuum penetration control and information system developed for silk reeling process[J]. Journal of Silk,2015,52(7):14-18.

[2]楊成衛(wèi),劉鐵硯,陶玉瓊.如何利用干繭公證檢驗數(shù)據(jù)進行繅絲生產工藝設計[J].中國纖檢,2011(9):46-48. YANG Chengwei, LIU Tieyan, TAO Yuqiong. How to utilize dried cocoon notary inspection data to design filature product[J]. China Fiber Inspection,2011(9):46-48.

[3]羅順高,黎瓊仙.淺談自動繅繅絲煮繭工藝及方法[J].四川蠶業(yè),2014(1):41-42. LUO Shungao, LI Qiongxian. The automatic reeling cocoon cooking process and method[J]. Sichuan Canye,2014(1):41-42.

[4]曹賢君.關于煮繭的高效滲透及繅絲適應性的研究[D].杭州:浙江理工大學,2013:1-20. CAO Xianjun. Research about Efficient Permeation of Cocoon Cooking and Adapt of Reeling[D]. Hangzhou: Zhejiang Sci-Tech University,2013:1-20.

[5]徐長春.直接真空滲透繅絲應用與分析[J].絲綢,2008(3):56-57. XU Changchun. Direct vacuum infiltration reeling application and analysis[J]. Journal of Silk,2008(3):56-57.

[6]黃繼偉,洪基武,林海濤,等.鮮繭繅生絲與干繭繅生絲的性能對比[J].絲綢,2013,50(11):28-32. HUANG Jiwei, HONG Jiwu, LIN Haitao, et al. Contrast on properties of the fresh cocoon silk and the dried cocoon silk[J]. Journal of Silk,2013,50(11):28-32.

[7]胡智文.兩種不同煮繭工藝路線的對比分析與探討[J].絲綢,2001(2):14-16. HU Zhiwen. Comparative analyses and investigations on two different cocoon cooking processes[J]. Journal of Silk,2001(2):14-16.

[8]沈仲衡.淺談減壓煮繭技術[J].江蘇絲綢,2011(3):17-19. SHEN Zhongheng. Discussion on the technology of vacuum cocoon cooking[J]. Jiangsu Silk,2011(3):17-19.

[9]李鑫,趙鵬.RS485總線形式的多路站控數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].工業(yè)控制計算機,2016(5):38-41. LI Xin, ZHAO Peng. Multi-channel station control data acquisition system with RS485 bus form[J]. Industrial Control Computer,2016(5):38-41.

[10]王東盈,李莉.觸摸屏、變頻器與PLC在調速系統(tǒng)中的設計研究[J].山東工業(yè)技術,2016(10):237. WANG Dongying, LI Li. HMI, frequency converter and PLC in speed regulation system[J]. Shandong Industrial Technology,2016(10):237.

[11]李建榮.基于PLC和組態(tài)軟件的自控系統(tǒng)研究[J].山東工業(yè)技術,2016(6):237-238. LI Jianrong. Research of automatic control system based on PLC and configuration software[J]. Shandong Industrial Technology,2016(6):237-238.

Vacuum osmosis and automatic cocoon feeding system based on RS485

FENG Dehai

(Liuzhou Automation Science Research Institution, Liuzhou 545001, China)

In the vacuum osmosis and automatic cocoon feeding production, real-time monitoring and regulation over the main parameters are required, including vacuum degree, liquid level, cocoon feeding amount etc. In this paper, according to the production process, a vacuum osmosis and automatic cocoon feeding system based on RS485 was designed and developed. PLC was employed to read the monitoring value of each measure point, the vacuum osmosis system PLC and automatic cocoon feeding system PLC were connected via RS485 bus and then connected to the PC industrial personal computer for data display, storage, and late-time analysis. Operator can quickly detect system error and locate the fault source via the monitoring system, and remove fault immediately, so as to resume production as soon as possible. The application results show that the system based on RS485 bus communication system has the advantages of simple operation, high intelligence degree and low labor intensity over traditional system control, which can greatly improve the production efficiency.

silk processing; automation; communication system; vacuum osmosis; automatic cocoon feeding; RS485

10.3969/j.issn.1001-7003.2017.07.003

2016-09-20;

2017-05-25

廣西科學研究與技術開發(fā)計劃重大專項計劃項目(桂科攻1400000)

馮德海(1987-)，男，助理工程師，主要從事自動化技術與測控技術的應用和科研。

TS142.72

A

1001-7003(2017)07-0013-05 引用頁碼: 071103